Współczesne problemy Współczesne problemy techniki pomiarowej techniki pomiarowej
Stefan F. Filipowicz Stefan F. Filipowicz
25.10.2008 Zaoczne Studia Doktoranckie – Instytut Elektrotechniki
Spis treści
Plan wystapienia
1. Wprowadzenie do impedancyjnej tomografii komputerowej 2. Systemy i układy pomiarowe 3. Układy pomiarowe budowane i stosowane w ITK 4. Klasyfikacja sygnałów pomiarowych
1. Wprowadzenie do impedancyjnej tomografii komputerowej (ITK)
Zastosowanie tomografii impedancyjnej
Właściwości elektryczne wybranych tkanek
Widok tomografu SPECT (ang. Single Photon Emission Tomography) używanego w badaniach nad funkcjonowaniem ludzkiego mózgu
•
Badanie rezonansu magnetycznego (TRM)
Cyfrowa mammografia
Obrazy badanej tkanki uzyskiwane w mammografii
2. UkładyPlan pomiarowe (filozofia pomiaru) wystapienia Spis treści
V9
V8
V7
V10
8 kąt projekcji V11
V6
7 kąt projekcji
3 S/m 1 S/m V12
V5
V4
V13
V1
V2
V3
1 kąt projekcji
2 kąt projekcji
Układy pomiarowe (filozofia pomiaru) •
Pomiary wykonywane są dla wszystkich możliwych sposobów podłączenia źródła zasilania do obszaru w celu zwiększenia liczby informacji o obiekcie oraz poprawy stosunku sygnału do szumu.
•
Po wykonaniu pierwszej serii pomiarów następuje przełączenie układu pobudzającego na elektrody sąsiadujące. Proces ten powtarzany jest sekwencyjnie dla wszystkich możliwych układów połączeń źródła zasilania. Dokonywane jest w ten sposób wielokrotne „prześwietlanie” badanego obiektu. Ze względu na symetrię układu dla n = 16 elektrod można uzyskać n / 2 = 8 niezależnych rozkładów prądowych.
•
Każda konfiguracja źródła pobudzającego nosi nazwę kąta projekcji (ang. projection angle), w takim przypadku całkowita liczba tych kątów przy powyższych założeniach wynosi 8.
Układy pomiarowe (filozofia pomiaru) •
Danymi wejściowymi dla algorytmu konstrukcji obrazu są pomiary napięć dokonane między sąsiednimi elektrodami.
•
Pomiary wykonane na elektrodach z dołączonym źródłem pobudzającym są pomijane ze względu na nieznany spadek napięcia występujący między tymi elektrodami a badanym obszarem.
•
Dla układu n = 16 elektrod oraz dowolnego kąta projekcji można otrzymać n − 3 = 13 niezależnych pomiarów. Stąd pełna liczba możliwych do uzyskania niezależnych pomiarów napięć pomiędzy sąsiednimi elektrodami napięciowymi przy n / 2 = 8 kątach wynosi: (n − 3)(n / 2) = 13 · 8 = 104.
•
Sposób pomiaru napięć międzyelektrodowych przedstawiony na rysunku odpowiada pierwszemu kątowi projekcji. Dla kolejnych kątów następuje sekwencyjne przełączanie obwodu zasilającopomiarowego na elektrody sąsiednie.
Zasada pobudzenia i pomiarów badanego ośrodka
3. Systemy i układy pomiarowe C/A, C/C Blok generacji sygnałów
Sygnały pomiarowe I
OBIEKT POMIAROWY
A/A
A/C
C/C
Czujniki pomiarowe
Blok akwizycji sygnałów
Blok przetwarzania danych
I
Blok sterujący (kontroler)
Blok komunikacji z użytkownikiem
Operator systemu
Systemy i układy pomiarowe
Blok generacji sygnałów jest stosowany w przypadku, gdy zachodzi konieczność wytwarzania sygnałów pobudzających (programowane źródło napięcia lub prądu), wytwarzania sygnałów odniesienia (generacja sygnałów wzorcowych) oraz generowania sygnałów sterujących elementami wykonawczymi obiektu fizycznego. Blok ten wymaga użycia jednego lub kilku przetworników C/A w celu rekonstrukcji sygnałów analogowych i ich dystrybucji do kilku, a często wielu, odbiorników informacji. Blok generacji sygnałów spełnia w systemach pomiarowych funkcję odwrotną niż blok akwizycji. Obiekt pomiarowy – obiekt płaski w przestrzeni 2D lub obiekt przestrzenny 3D
Systemy i układy pomiarowe Czujniki pomiarowe, to elementy umożliwiające odbiór informacji z obiektu fizycznego, którego parametry podlegają identyfikacji w procesie pomiarowym. Czujniki są źródłem informacji dla aparatury pomiarowej.
Blok akwizycji sygnałów pomiarowych pośredniczy między czujnikami pomiarowymi a blokiem przetwarzania danych. Jego zadaniem jest zbieranie sygnałów pomiarowych i ich dyskretyzacja. W bloku akwizycji wykonywane są podstawowe operacje związane z procesem pomiarowym. Przetwornik U/C stosowany jest w przypadku, gdy wielkością pośrednią w procesie formowania sygnału w kanale pomiarowym jest napięcie. Przetwornik T/C stosowany jest gdy wielkością pośrednią w kanale pomiarowym jest czas, a więc przy pomiarach odstępu czasu, częstotliwości, okresu, przesunięcia fazowego. Blok przetwarzania danych, dokonuje cyfrowej obróbki sygnałów pomiarowych zgodnie z przyjętym algorytmem. Jeśli kontrolerem w systemie pomiarowym jest komputer, to na ogół, oprócz sterowania systemem, pełni on jednocześnie funkcję bloku przetwarzania danych.
Systemy i układy pomiarowe •
Kontroler, wykonuje czynności sterujące według programu zapisanego w pamięci operacyjnej. Czynności sterujące obejmują koordynację czasową systemu, w tym również ustalenie warunków pomiaru, oraz organizację przepływu wszelkich informacji. Sterowanie pracą systemu, a także przesyłanie informacji pomiarowych odbywa się za pośrednictwem odpowiedniego interfejsu.
•
Blok komunikacji z użytkownikiem - operator systemu pomiarowego musi mieć możliwość komunikowania się z systemem, tzn. musi mieć możliwość wprowadzania i odbierania informacji z systemu. Wyprowadzanie informacji odbywa się za pomocą rejestratorów cyfrowych bądź analogowych oraz monitorów ekranowych. Jest to realizowane za pośrednictwem układu sterującego (kontrolera).
•
Operator systemu
Systemy i układy pomiarowe W kolejnym etapie rozwoju systemów pomiarowych powstawały zintegrowane środowiska programowe, zawierające rozbudowane wspomaganie projektowania systemów pomiarowych (np. LabView, LabWindows, HP-VEE, TestPoint, LabTech), radykalnie zmieniające podejście do procesu projektowania systemów. Główne cechy tych środowisk są następujące: • interakcyjność procesu tworzenia oprogramowania użytkowego, • możliwość programowego tworzenia paneli sterujących sprzętem pomiarowym, • możliwość generowania programu przez wywoływanie paneli funkcyjnych lub przez rysowanie schematu blokowego kodującego algorytm działania systemu pomiarowego w postaci graficznej, • bogate biblioteki sterowników przyrządów, dostęp do interfejsów pomiarowych, analiza sygnałów pomiarowych itp. Powstające nowe generacje podzespołów elektronicznych zwiększyły dokładność i szybkość pomiarów oraz ułatwiły automatyzację. Wykorzystanie ich umożliwia: • automatyczne sterowanie pomiarami, • automatyczne przetwarzanie zebranych danych.
Ocena wpływu błędów Ocena wpływu błędów, których źródłem jest rzeczywisty system pomiarowy i proces mierzenia, opiera się na porównaniu wyników pomiarów i odtwarzania rozkładu konduktywności w systemie rzeczywistym z analogicznymi wynikami uzyskanymi podczas badań modelu idealnego, Błędy odtwarzania można wyodrębnić przez porównanie wyników rekonstrukcji uzyskanych w badaniach symulacyjnych z wartościami konduktywności symulowanego obiektu. błędy odtwarzania
symulacja:
obiekt
Psym
sym
Ux,sym Ix,sym
P
obraz
i,sym
błędy pomiarowe
pomiar rzeczywisty: obiekt
O
Ux, Ix
O
obraz
i
Metody pomiarowe
Metody pomiarowe Pomiar dwuelektrodowy A
I
ZA
ZO
ZB
I
B
I
B
U Z A ZO Z B I V
Pomiar cztero-elektrodowy A
U CD U AB ZW I AB ICD
I
ZA
ZO
ZC
C
ZB
ZD
V
D
Metody pomiarowe •
Metoda sąsiadująca (ang. neighbouring method). W metodzie tej prąd jest pobudzany przez dwie sąsiednie elektrody, tak jak widać na rysunku. Napięcia mierzone są między wszystkimi kolejnymi, parami elektrod, wyłączając elektrody zasilające.
7
6 5 4
8
9
10 11
Obiekt
12 13
3 2 V
1 I
0 15 I
14
Metody pomiarowe •
Metoda SDP (ang. spli-drive pair). Na rysunku przedstawiono konfigurację systemu typu SDP (ang. spli-drive pair). Pomiar napięcia wykonywany jest na poszczególnych elektrodach względem jednej elektrody odniesienia. Metoda ta dostarcza tylko N(N–4)/2 niezależnych pomiarów. V
elektroda odniesienia 7
6
8
9
5
10 11
Obiekt
4
12 13
3 2
1 I
0
15
14 I
Metody pomiarowe Metoda zasilania krzyżowa (ang. cross method). W metodzie tej, elektroda o numerze 0 została użyta jako odpowiednia prądowa elektroda odniesienia w systemie szesnastoelektrodowym, druga elektroda jest przełączana kolejno na pozycje o numerach: 2, 4, ..., 14. Dla każdego położenia elektrod prądowych mierzone jest napięcie między pierwszą i kolejnymi elektrodami (z wyjątkiem prądowych elektrod zasilających). Ilustruje to rysunek. Po przeniesieniu elektrody odniesienia np. do punktu 3, drugą elektrodę przyłącza się kolejno do punków 5, 7,..., 15, 1; napięcia są mierzone względem elektrody 2. V
I 0
I 1
2
3 4
15 5 14
Obiekt
6
13 7 12 11
10
9
8
Metody pomiarowe System zasilania biegunowego (ang. opposite method). W metodzie przedstawionej na rysunku mamy model, gdzie prąd pobudzający doprowadzony jest do par elektrod ustawionych biegunowo. Pomiar napięcia odbywa się na wszystkich elektrodach wyjątkiem elektrod zasilających. W tym przypadku występuje tylko N/2 niezależnych ustawień elektrod zasilających. Ogólna liczba pomiarów niezależnych wynosi N(N-4)/2. I
6
7
8
9
5
10 11
Obiekt
4
12 13
3 2
1
0 15 I
14
V
elektroda odniesienia
Metody pomiarowe •
Tablica liniowa zasilania (ang. Linear array). Nie zawsze jest możliwe, szczególnie w trudnych warunkach fizycznych, interesujący nas obszar ściśle otoczyć elektrodami. Do rozwiązania takiego problemu używa się tablicy liniowej zasilania z elektrodami przyłożonymi na brzegu powierzchni z odpowiednio ustawionymi prądowymi elektrodami zasilającymi.
I
I V
Elektrody
Metody pomiarowe Tablica liniowa zasilania – przykład rozwiązania do badania zawilgocenia budowli
Przykład rozkładu napięć na brzegu badanego obiektu dla kątów projekcji 5 8 kąt projekcji 5
kąt projekcji 6
3
3
2
2
1
1
0
0 5
10
15
5
kąt projekcji 7 3
2
2
1
1
0
0 10
15
kąt projekcji 8
3
5
10
15
5
10
15
Porównanie metod identyfikacji współczynników materiałowych Metoda
Rozkład prądu w przekroju ośrodka
Rekonstrukcja obrazu
Metoda sąsiadująca
Słaby w centrum obiektu
Słaba
Metoda krzyżowa
Jednorodny
Dobra
Metoda biegunowa
Jednorodny
Dobra
Metoda wieloreferencyjna
Bardzo jednorodny
Bardzo dobra
Niejednorodny, wysoki, tylko w pobliżu powierzchni Tablica liniowa
Dobra do głębokości porównywalnej z odległością między elektrodami
Symulacja obwodowa badanego obiektu Można badany obiekt zasymulować obwodem elektrycznym w postaci połączonych elementów o charakterze pojemnościowym lub indukcyjnym jak na rysunku - odpowiadających konduktywnościom obiektu. Badania symulacyjne mogą dać informacje o możliwych zmianach napięć oraz innych stanach zachowania się obwodu, które mogą ułatwić docelowy projekt systemu pomiarowego.
1 test points
•
R
C
0
Badanie kąta przesunięcia fazowego
Kąt przesuniecia fazowego [deg]
Przy pobudzeniu badanego obiektu napięciem lub prądem o różnej częstotliwości możemy uzyskiwać różne odpowiedzi na elektrodach pomiarowych. Przy wyższych częstotliwościach pobudzenia w odpowiedzi pojawia się również przesunięcie fazowe między mierzonymi sygnałami.
Wyniki symulacji - charakterystyki częstotliwościowe w wybranych punktach dla różnych wartości : a) 1 (Rd1 = 100 , Cd1 = 30 nF), b) 2 (Rd2 = 1.5 k, Cd2 = 10 nF)
10Hh
1kHz
100kHz
Częstotliwość [Hz]
Badanie kąta przesunięcia fazowego
Kąt przesunięcia fazowego [deg]
Wyznaczone charakterystyki częstotliwościowe (na wybranych elektrodach) dla dwóch różnych tkanek biologicznych umieszczonych w wannie pomiarowej: a) jabłka, b) ogórka
Częstotliwość [Hz]
4. Przykłady systemów pomiarowych stosowanych w tomografii impedancyjnej
4. 4. Przykłady Przykłady systemów systemów pomiarowych pomiarowych stosowanych stosowanych w w tomografii tomografii impedancyjnej impedancyjnej Przykładowy schemat elektryczny systemu pomiarowego
4. Przykłady systemów pomiarowych stosowanych w tomografii impedancyjnej Schemat blokowy systemu pomiarowego tomografu impedancyjnego zbudowanego z układów przełączająco-pomiarowych firmy Hewlett Packard (Agillent)
4. Przykłady systemów pomiarowych pomiarowych stosowanych 4. Przykłady systemów stosowanych tomografii impedancyjnej impedancyjnej ww tomografii Schemat elektryczny systemu pomiarowego tomografu impedancyjnego zbudowanego z układów przełączająco-pomiarowych firmy Hewlett Packard (Agillent)
Obiekt badany
Wirtualny pulpit tomografu impedancyjnego
•
Stanowisko pomiarowe
Schematblokowy blokowyprogramu programudo dopomiaru pomiaruamplitudy amplitudy Schemat
.
Schemat blokowy podprogramu Usrednianie
Schemat blokowy programu do pomiaru przesunięcia fazowego
